科學(xué)家以糖為陽極基底，發(fā)現(xiàn)可減少鋰電池枝晶形成
2018年03月14日 8:21 3389次瀏覽 來源： 科技新報 分類： 鋰
糖或許是人類健康殺手，但它如今也被科學(xué)家用來當(dāng)作防止鋰金屬電池陽極枝晶生成的基底材料，為下一代高能量密度候選代表鋰金屬電池的主要障礙提出了解決方法。
科學(xué)家已經(jīng)注意到，鋰電池中的枝晶（dendrites）與出現(xiàn)在金屬中的晶須相似。枝晶是由于電池電極表面鋰沉積不均勻而形成，會造成電池容量損失、充放電效率降低、短路等問題；晶須（whisker）則是出現(xiàn)在電子元件中的一種現(xiàn)象，20 世紀(jì)初真空管時期，科學(xué)家用純錫或接近純錫的合金作為焊料，而在有焊料的焊點上會長出晶須造成短點。
最重要的是，研究合著者/萊斯大學(xué)材料科學(xué)與納米工程助理教授 Ming Tang 說，科學(xué)家知道晶須在有壓應(yīng)力（compressive stress）的情形下出現(xiàn)，卻對電池循環(huán)過程中鋰金屬鍍層也會引起壓應(yīng)力的機(jī)制不甚理解，而壓應(yīng)力與鋰電池陽極的樹突形成脫不了關(guān)系。雖然晶須像直線，枝晶更蜿蜒些，但兩者形成機(jī)制是相似的。
基于這種理解，研究人員首先模擬在平面電鍍軟金屬期間產(chǎn)生的壓應(yīng)力，以顯示鋰枝晶如何生長，實驗表明，將鋰金屬涂覆在平坦基底上會使鋰無處可去，于是它改以枝晶形式出現(xiàn)。
與錫相比，鋰的熔點更低（180.5 °C），也就是說鋰原子在室溫下更具流動性，如果有壓力，原子更樂意移動，這就是為什么我們可以在數(shù)小時甚至幾分鐘內(nèi)就看到樹突形成的原因。
為了解決這項問題，團(tuán)隊找出一種能幫助抑制鋰枝晶生成的技術(shù)，糖就在這里發(fā)揮角色功能。研究人員將糖塊與一種液態(tài)硅膠聚二甲基矽氧烷（PDMS）一起注入基底，然后將糖溶解，留下只剩軟硅膠的三維多孔結(jié)構(gòu)，就像一塊可能會塌陷變形的海綿，接著覆蓋一層薄銅層以傳導(dǎo)電子，最后用鋰金屬填充空洞。
團(tuán)隊于這種基底上測試，發(fā)現(xiàn)枝晶生長顯著減少，這是因為糖溶解后，像“皺紋”的基底緩解了鋰金屬內(nèi)部累積的壓應(yīng)力，電池測試也擁有 200 次循環(huán)后仍接近 98％ 的庫侖效率。研究目前還在持續(xù)進(jìn)行，團(tuán)隊將對電池進(jìn)行些許調(diào)整，以了解這種技術(shù)的電池是否能趕上商用門檻。論文發(fā)布在《自然-能源（nature energy）》期刊。
責(zé)任編輯：周大偉
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